离心压缩机可调叶片扩压器优化设计与调节分析

研究背景

       大规模先进压缩空气储能系统具有储能效率高、容量大、不受地理条件限制等优点，在电网削峰填谷、区域能源系统及可再生能源大规模接入等方面拥有广泛的应用价值。压缩机是压缩空气储能系统关键部件之一，须具备大流量、高排气压力、高效、宽工况调节等特点，而多级离心压缩机具有结构紧凑、调节性能好、单级压比高等优点，适宜于作为储能系统的压缩部件。

       在储能过程中，多级离心压缩机长期运行于非设计工况，其排气压力跟随储气容器内压力逐渐变化。因此，在离心压缩机优化设计阶段，提高离心压缩机设计点工作效率的同时，还需考虑其调节性能，从而满足整个系统的经济性和适用性。

      目前，离心压缩机通常采用三元叶轮和可调进口导叶获得高效宽工况运行特性，但在近喘振和堵塞工况点处无法保证较好的性能，其主要原因在于在该两种工况下固定叶片扩压器内流动恶化，导致压缩机性能下降。扩压器作为关键扩压部件，其性能对整级运行特性影响较大，但往往在设计工况下性能较好。为提高非设计工况下运行特性，可以选用可调式叶片扩压器。相较于无叶扩压器和固   定式叶片扩压器的传统方式，可调式叶片扩压器   结构紧凑，可以获得更宽的工况范围和更高的运行效率。

创新点及解决的问题

       以大规模压缩空气储能系统离心压缩机为研究对象，对原有扩压器叶型进行多目标优化，并通过数值方法探究可调叶片扩压器的调节规律，获得调节曲线。结果表明，优化后的三元扭曲叶片能够降低叶轮出口流场不均匀性对扩压器的影响，提高压缩机整级性能；设计转速下，叶片扩压器的调节范围在-8°～+5°之间；采用可调叶片扩压器使压缩机的工作范围提高117%，同时变工况下离心压缩机的性能也有明显改善。

重点内容导读

1  研究方法

     本文的研究路线如图2所示，按照“优化设计-调节分析-调节规律设计”的步骤进行。

图2  研究路线

2  初始流场分析

      在扩压器内部流场计算分析过程中，为保证离心叶轮与叶片扩压器之间的相互匹配，采用NUMECA软件对压缩机整级进行计算，重点对扩压器进行流动和性能分析。

图3  生成压气机网格示意图

图4  叶片扩压器进口气流角

图5  进口气流角随流量分布曲线

3  多目标优化及分析

3.1  多目标优化设计方法

      本文采用NUMECA软件中的Design3D模块以等熵效率为目标函数同时保证总压比不下降为设定条件进行叶片扩压器优化。为了保证叶片强度，对于叶片厚度本文不进行修改。为降低计算复杂程度，选取叶顶、叶根以及50%叶高3个截面处中弧线上前缘和尾缘叶片角为自变量。考虑到仅在设计工况下对叶片进行优化并不能保证其它工况点的性能，因此本文除对设计流量进行优化外，对85%设计流量工况以及105%设计流量工况同时进行了优化，以充分保证优化后的叶片在整个工作范围内的性能。

3.2  优化结果及CFD验证

4  调节规律设计及验证

4.1  调节规律设计

4.2  内部流场分析

结论

       本文以大规模先进压缩空气储能系统离心压缩机为研究对象，在对原有扩压器叶型进行多目标优化的基础上，采用数值方法探究可调式叶片扩压器的调节规律，获得调节曲线，得到如下结论。

（1）优化后的三元扭曲叶片能够降低叶轮出口流场不均匀性对扩压器的影响，提高压缩机整级性能，其中在设计工况下等熵效率提高1.69%，总压比提高1.5%。

（2）设计转速下，叶片扩压器的调节范围在-8°～+5°之间，在中间流量范围内角度的调节随流量变化比较均匀，在近堵塞点和近失速点附近叶片角度对流量影响更加敏感。

（3）可调式叶片扩压器能够有效扩大离心压缩机变工况流量范围，总体工作范围提高了117%，同时提高变工况下离心压缩机的性能。

标签：压缩机,叶片,离心,工况,扩压器,优化
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